DE10222214A1

DE10222214A1 - Photobioreaktor sowie Verfahren zur Produktion von Biomasse

Info

Publication number: DE10222214A1
Application number: DE2002122214
Authority: DE
Inventors: Johan U Grobbelaar; Friedrich H Mohn
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor (1) sowie ein Verfahren zur Produktion von Biomasse. DOLLAR A Die nach dem Stand der Technik bekannten Photobioreaktoren können zu Beginn der Kultivierung der phototrophen Organismen nur die hohe Lichtintensität und mit zunehmendem Wachstum auf Grund der Selbstabschattung der Zellen die geringe Lichtintensität nutzen. DOLLAR A Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor (1) und dem Verfahren ist es nunmehr möglich, durch Schaffung mehrerer Kompartimente (2) im Reaktor hohe bis geringe Lichtintensitäten parallel zu nutzen und damit die Produktivität gegenüber bisher bekannten Photobioreaktoren und Verfahren zu erhöhen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photobioreaktor sowie ein Verfahren zur Produktion von Biomasse.
Photobioreaktoren sind Bioreaktoren, in denen phototrophe Mikroorganismen, wie Algen, Cyanobacterien und Purpurbakterien kultiviert werden. In diesen Reaktoren wird entweder das Wachstum und die Vermehrung dieser Zellen ermöglicht oder die Produktion unterschiedlicher Substanzen mittels phototropher Zellen. Solche Photobioreaktoren sind in der Literatur ausreichend beschrieben (Hu, Q., N. Kurano, M. Kawachi, I. Iwasaki und S. Miyachi (1998): "Ultrahigh-cell-density culture of a marine green alga Chlorococcum littorale in a flatplate photobioreactor". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 49: 655-662; Zhang, K., N. Kurano and S. Miyachi (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat plate photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings between the plates, and culture temperature". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 52: 781-786; Grobbelaar, J. U., L. Nedbal, L. Tichy and I. Setlik (1995): "Variations in some photosynthetic characteristics of microalgae cultured in outdoor thin-layered sloping reactors". "J. Appl. Phycol.", 7: 243-260; Degen, J. Ueblee, A., Retze. A., Schmid- Staiger, U., Trösch, W. (2001): "A novel airlift photobioreactor with baffles for improved light utilization through the flashing light effect". "J. Biotechnol.", 92: 89-94; Lee, Y. K., Ding, S. Y., Low, C. S., Chang, Y. C., Forday, W. L., Chew P. C. (1995): "Design and performance of an α-tubular photobioreactor for mass cultivation of microalgae". "J. appl. Phycol.", 7: 47-51; Pulz, O., Gerbsch, N., Bacholz, R. (1995): "Light energy supply in plate-type and light diffusing optical fibre bioreactors". "J. appl. Phycol." 7: 145-149; Richmond, A., Cheng- Wu, Z. (2001): "Optimization of a flat plate glass reactor for mass production of Nannochloropsis sp. Outdoors". "J. Biotechnol.", 85: 259-269; Tredici, M. R., Materassi, R. (1992): "From open ponds to vertical alveolar panels: the Italian experience in the development of a reactor for the mass cultivation of photoautotrophic microorganisms". "J. appl. Phycol." 4: 221-231).
Ein wichtiges Einsatzgebiet von Photobioreaktoren ist die Erzeugung von Algen, die zur Primärproduktion von Biomasse eine Rolle spielen. Algen sind wichtige CO₂-Konsumenten und können deshalb umweltentlastend wirken. Zu den Algen zählen einerseits die prokaryotischen Cyanobakterien als auch die eukaryotischen, mikroskopischen Algenklassen. Diese Organismen liefern eine Vielfalt von Substanzklassen, die sich für Zwecke der Pharmazie, Kosmetik, Nahrung, Tierernährung sowie für technische Zwecke einsetzen lassen. Wichtige Stoffklassen sind hierbei lipophile Verbindungen, wie z. B. Fettsäuren, Lipide, Sterole und Carotinoide, hydrophile Stoffe wie Polysaccharide, Proteine bzw. Aminosäuren und Phycobiliproteine sowie die Gesamtmasse als proteinreicher, nukleinsäurearmer Rohstoff.
Die Wirtschaftlichkeit der durch Mikroalgen produzierten Stoffe wird zunächst durch die Produktivität der ausgesuchten Algenspezies bestimmt. Jedoch nur, wenn gleichzeitig ein hoher Umwandlungswirkungsgrad von solarer Strahlungsenergie in die gewünschte Biomasseform erreicht wird und der energetische Aufwand und die Kosten für Herstellung, Installation und Betrieb der Anlage äußerst gering gehalten werden. Eine hohe Biomasseproduktivität ist von der optimalen Lichtverteilung im Photobioreaktor abhängig.
Eine wichtige Rolle hinsichtlich der optimalen Lichtverteilung und Lichtnutzung spielt auch die Fähigkeit der Algen, sich an unterschiedliche Lichtintensitäten anzupassen. Bei dieser Photoakklimatisierung kann man zwischen Algen unterscheiden, die an starke Lichtintensitäten angepasst sind, im folgenden unter der Abkürzung "HL" (high light) zusammengefasst, und Algen, die an schwache Lichtintensitäten angepasst sind, im folgenden unter der Bezeichnung "LL" (low light) zusammengefasst.
HL-Algen weisen folgende Eigenschaften auf:

- hohe, maximale Photosyntheseraten
- geringer Anteil an Chlorophyll pro Biomasse
- hoher Anteil an accessorischen Pigmenten, wie z. B. Carotinoiden
- geringe Photosynthese-Effizienz
- hohe I_k-Werte (Übergang zwischen lichtabhängiger und lichtgesättigter Photosynthese).

LL-Algen weisen dagegen folgende Eigenschaften auf:

- geringe, maximale Photosyntheseraten
- hoher Anteil an Chlorophyll pro Biomasse
- geringer Anteil an accessorischen Pigmenten, wie z. B. Carotinoiden
- hohe Photosynthese-Effizienz
- geringe I_k Werte.

Für die Nutzung der bisher bekannten Photobioreaktoren bedeutet diese Anpassung der Algen an die Lichtintensität folgendes: In der Anfangsphase einer Kultivierung im Freiland liegt eine geringe Zelldichte pro Volumen vor. Die Zellen werden mit einer hohen, durchschnittlichen Lichtintensität bestrahlt und adaptieren dadurch zum HL-Zustand. Mit zunehmendem Wachstum steigt die Zelldichte an, und die durchschnittliche Lichtintensität nimmt auf Grund der Selbstabschattung der Zellen ab. Die Zellen adaptieren folglich zum LL-Zustand. Dies bedeutet, dass zu Beginn der Kultivierung hohe Lichtintensitäten genutzt werden können und im Lauf der weiteren Kultivierung nur noch die geringere Lichtintensität, jedoch niemals der gesamte Bereich der Lichtintensität, d. h. hohe, mittlere und niedrige Lichtintensitäten.
Allen bisher bekannten Photobioreaktoren ist gemeinsam, dass nur die durchschnittliche Lichtintensität genutzt werden kann. Diese durchschnittliche Lichtintensität ist insbesondere von der Absorption der Biomasse und zum Teil von der Lichtabsorption des Kulturmediums abhängig. In den meisten Fällen begrenzt die Selbstabschattung der Biomasse die verfügbare Lichtintensität, so daß mit zunehmender Biomasse immer auch eine Abnahme der Lichtintensität und damit eine Verringerung der tatsächlich möglichen Lichtausbeute verbunden ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Photobioreaktor sowie ein Verfahren zu schaffen, welcher bzw. welches die oben beschriebenen Nachteile nicht mehr aufweist.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin wird die Aufgabe, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 10, erfindungsgemäß gelöst, mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10 angegebenen Merkmalen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Photobiorektor, der in mehrere Kompartimente unterteilt ist, in denen sich die den jeweils vorherrschenden Lichtbedingungen (Lichtintensität, Wellenlängenspektrum) angepassten, phototrophen Organismen befinden. In dem Kompartiment, welches der Lichteinstrahlung am nächsten ist, im folgenden als Front-Kompartiment bezeichnet, und daher die höchste Lichtintensität vorherrscht, befinden sich Zellen im HL-Zustand. In den dahinter angeordneten Kompartimenten befinden sich die Zellen, die sich der abnehmenden Lichtintensität angepasst haben und sich damit im Zustand der mittleren Lichtintensität bis geringen Lichtintensität, LL-Zustand befinden.
Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Verfahren ist es nunmehr möglich, einen großen Bereich des Wellenlängenspektrums sowie den gesamten Bereich der eingestrahlten Lichtintensität mit der höchst möglichen Effektivität photosynthetisch zu nutzen. Mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor und dem Verfahren kann die Fähigkeit der Algen, sich an Licht anzupassen, genutzt werden, so dass höhere Ausbeuten, bezogen auf die belichtete Fläche gegenüber bekannten Photobioreaktoren und Verfahren erzielt werden können. Die Produktivität kann gegenüber bisher bekannten Photobioreaktoren und Verfahren signifikant erhöht werden. Das Front- Kompartiment, mit den Zellen im HL-Zustand, die durch das erfindungsgemäße Verfahren auch konstant in diesem Zustand gehalten werden, kann die hohe Lichtintensität effektiv nutzen. Die dahinter liegenden Kompartimente, in denen die Lichtintensität immer stärker abnimmt, können auf Grund ihrer Anpassung d. h. dadurch, dass sie zunehmend die Eigenschaften von LL-Zellen aufweisen und dieser Zustand durch das erfindungsgemäße Verfahren konstant gehalten wird, auch diese geringere Lichtintensität mit einer hohen Effizienz nutzen. Durch die Verbindung der Nutzung von HL-Zellen in Kombination mit LL-Zellen zusammen in einem Photobioreaktor können sowohl starke, mittlere, als auch niedrige Lichtintensitäten parallel mit der jeweils maximalen Photosyntheserate genutzt werden. Dies ist bei bisher bekannten Reaktoren nicht möglich. Hier kann die hohe Lichtintensität nur zu Beginn der Kultivierung genutzt werden, wobei nur eine geringe Photosynthese-Effizienz auf Grund des geringen Anteils an Chlorophyll pro Biomasse vorliegt. Ein Teil der Lichtintensität bleibt ungenutzt. Mit zunehmendem Wachstum verringert sich die Lichtintensität im Reaktor auf Grund der Selbstabschattung der Zellen. Es werden nur noch geringe Lichtintensitäten genutzt; hohe Intensitäten bleiben ungenutzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Zeichnungen zeigen eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Photobioreaktors und des Verfahrens.
Es zeigt:
Fig. 1 Photobioreaktor mit den unterschiedlichen Kompartimenten,
Fig. 3 Photobioreaktor mit für die Kultivierung eingesetzten Einrichtungen,
Fig. 3 Photosyntheserate in Abhängigkeit von der Lichtintensität, 2 Stunden nach Inkubation,
Fig. 4 Photosyntheserate in Abhängigkeit von der Lichtintensität, 48 Stunden nach Inkubation.
Fig. 1 zeigt den Photobioreaktor 1 mit den Kompartimenten 2. Dabei wird das Front-Kompartiment A direkt mit dem Wellenlängenspektrum der Lichtquelle bestrahlt, während die dahinter angeordneten Kompartimente B und C nur mit Licht der Wellenlänge bestrahlt werden, welches durch das jeweils zuvor angeordnete Kompartiment durchgelassen wird. Die Rückwand 2a des letzten Kompartiments C ist aus lichtundurchlässigem Material konstruiert.
Fig. 2 zeigt den Photobioreaktor 1 mit zwei Kompartimenten 2. Das Front-Kompartiment A, welches direkt von der Lichtquelle bestrahlt wird, und in dem sich folglich Zellen im HL-Zustand befinden, wird über eine Peristaltikpumpe 4 mit Nährlösung aus dem Vorratsgefäß 3 versorgt. Die Suspension aus Kompartiment A wird mittels einer Dosierpumpe 5 in das Kompartiment B, überführt. Von dort kann das Produkt (Biomasse) in einem Auffangbehälter 6 gesammelt werden.
Fig. 3 zeigt experimentelle Ergebnisse der Photosyntheserate, die mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor (Reaktor I) und einem Reaktor mit nur einem Kompartiment (Reaktor II) kurze Zeit nach Inkubation (2 h) ermittelt wurden. Die Abszisse X gibt die Lichtintensität in µmol-Quanten m^-2s^-1 wieder. Die Ordinate Y gibt die Photosyntheserate als Sauerstoffproduktion in µmol O₂ pro mg Chl a und h an. Die mit einem schwarzen, ausgefüllten Kreis dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor-I-Kompartiment A ermittelt. Die mit einem nicht ausgefüllten Kreis dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor-I-Kompartiment B ermittelt. Die mit einem schwarz ausgefüllten Dreieck dargestellten Messwerte wurden aus Reaktor II ermittelt.
Fig. 4 zeigt experimentelle Ergebnisse der Photosyntheserate, die mit dem erfindungsgemäßen Photobioreaktor (Reaktor I) und einem Reaktor mit nur einem Kompartiment (Reaktor II) 48 Stunden nach Inkubation erhalten wurden. Die Achsenbeschriftung und Kennzeichnung der Messergebnisse entspricht denen aus Fig. 3.
Im folgenden soll die Erfindung beispielhaft beschrieben werden.
In den erfindungsgemäßen Photobioreaktor 1, der aus mehreren hintereinander geschalteten Kompartimenten 2 besteht, wird das Nährmedium eingeleitet und mit dem gewünschten, phototrophen Organismus, der kultiviert werden soll, beimpft. Der Photobiorektor 1 umfasst dabei mindestens zwei Kompartimente 2. Geeignet sind jedoch auch 3 bis 8 Kompartimente. Als besonders geeignet haben sich drei Kompartimente erwiesen.
Unter der Bezeichnung Kompartiment 2 ist jeweils ein Teil des Photobioreaktors zu verstehen, der die phototrophen Organismen beinhaltet, die sich an die in dem jeweiligen Kompartiment 2 vorherrschenden Lichtbedingungen, wie die Lichtintensität und das Lichtspektrum, angepasst haben. Das bedeutet beispielsweise, dass in dem Front-Kompartiment A, in dem die höchste Lichtintensität und das nahezu gesamte Wellenlängenspektrum der Lichtquelle vorliegt, sich Zellen im HL-Zustand befinden. Mit zunehmender Entfernung der Kompartimente von der Lichtquelle verringert sich die Lichtintensität und auch das Wellenlängenspektrum des eingestrahlten Lichtes in Abhängigkeit der Absorption der phototrophen Organismen und des Materials, aus dem die Kompartimente gefertigt wurden. In diesen Kompartimenten passen sich die Zellen dem LL-Zustand an.
Unter hohen Lichtintensitäten wird ein Bereich von 1000 bis 2000 µmol-Quanten m^-2s^-1 verstanden, unter mittleren Lichtintensitäten ein Bereich von 300 bis 1000 µmol- Quanten m^-2s^-1 und unter geringen Lichtintensitäten ein Bereich von 0 bis 300 µmol-Quanten m^-2s^-1.
Für eine optimale Kultivierung und Lichtversorgung der phototrophen Organismen in den Kompartimenten 2 spielt auch die Tiefe (t) der Kompartimente 2 eine Rolle. So hat sich eine Tiefe von 5 bis 30 mm je Kompartiment als geeignet erwiesen. Besonders bevorzugt wird eine Tiefe von 15 bis 20 mm. Die Gesamttiefe des Photobioreaktors 1 sollte in einem Bereich von mindestens 10 mm bis 20 cm liegen. Dabei ist unter der Bezeichnung Gesamttiefe die Tiefe zu verstehen, die sich aus der Tiefe aller Kompartimente 2 zusammensetzt.
Der Photobioreaktor 1 mit seinen Kompartimenten 2 besteht überwiegend aus lichtdurchlässigem bzw. transparentem Material, wie z. B. Glas, Kunstglas oder in einer besonders kostengünstigen Variante aus Folien. Lediglich die Rückwand 2a des hintersten Kompartiments 2 sollte aus stabilisierendem Material bestehen, welches keine für die Organismen toxischen Stoffe abgeben kann und keine korrodierenden Eigenschaften aufweist, wie z. B. Stahl, Beton, Kunststoff. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Rückwand 2a des jeweiligen Kompartiments 2 mit einer Kühlung ausgestattet sein, oder die einzelnen Kompartimente 2 sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennt, der eine Zirkulation von kühlender Luft oder Kühlmittel ermöglicht. In einer vorteilhaften Ausführung des Photobioreaktors 1 weisen die Kompartimente 2 eine plattenförmige Geometrie auf. In einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des Photobioreaktors 1 kann dieser auch röhrenförmig ausgestaltet sein. Dabei können die röhrenförmigen Kompartimente ineinander geschoben angeordnet sein. Die Lichtquelle kann außerhalb des Reaktors angeordnet sein, so dass sich die Zellen im HL-Zustand in der äußersten Röhre (Kompartiment) befinden, und die Zellen sich in Richtung der innersten Röhre (Kompartiment) immer mehr dem LL-Zustand anpassen. Die Lichtquelle kann auch innerhalb des Photobioreaktors 1 angeordnet sein, so dass sich die Zellen der innersten Röhre im HL-Zustand befinden und sich die Zellen der äußeren Röhre dem LL-Zustand anpassen.
Als phototrophe Organismen, die kultiviert werden können, sind alle bekannten Organismen, die auch zur Produktion von Biomasse und Produkten aus dem Bereich der Kosmetik, Nahrungsmittelindustrie und Pharmazie eingesetzt werden, geeignet. Hierzu gehören alle Rot-, Grün- und Braunalgen, wie beispielsweise Chlorella, Dunaliella, Spirulina, Haematococcus, Synechocystis, Microcystis, Scenedesmus, sowie auch phototrophe Bakterien, wie die Rhodospirillineae und Chlorobiineae. Unter Freilandbedingungen kann es unter bestimmten, klimatischen Bedingungen vorteilhaft sein, thermophile Stämme phototropher Organismen einzusetzen. Unter phototrophen Organismen sollen im Rahmen der vorliegenden Erfindung weiterhin auch pflanzliche Zellkulturen verstanden werden.
Die Kultivierung der phototrophen Organismen erfolgt bevorzugt im kontinuierlichen Verfahren. Dabei wird die Biomassekonzentration durch die Verdünnungsrate (Flussrate ml h^-1/Volumen L) bzw. die geregelte Zufuhr von Nährlösung bzw. Kultivierungsmedium gesteuert (Turbidostat). Die Biomassekonzentration in den hinteren Kompartimenten, z. B. B und C, ist abhängig von der Biomassekonzentration im Front-Kompartiment A. Ein Teil der Suspension der Organismen aus dem Front- Kompartiment A wird, abgestimmt über die Biomassekonzentration, in das nächste dahinter angeordnete Kompartiment B eingeleitet. Aus diesem kann dann wieder ein Teil der Suspension der Organismen, gesteuert über die Biomassekonzentration, in das nächste Kompartiment C geleitet werden, bis das letzte Kompartiment erreicht ist. So kann innerhalb der jeweiligen Kompartimente 2 der Zustand der phototrophen Organismen hinsichtlich Lichtanpassung entsprechend der jeweiligen Lichtbedingungen immer konstant gehalten werden, ohne dass sich auf Grund von z. B. zunehmender Biomasse die Lichtbedingungen in den Kompartimenten 2 verändern. Durch die Steuerung der Biomassekonzentration über die Verdünnungsrate, können auch Schwankungen der Biomassekonzentration auf Grund unterschiedlicher Lichtbedingungen im Freiland ausgeglichen werden. Ein batch-Verfahren sowie fed-batch-Verfahren ist jedoch auch möglich. Der Photobioreaktor 1 verfügt über Einrichtungen zum Einleiten von Gas, wie z. B. CO₂, Luft, N₂ sowie auch Einrichtungen zur Entnahme der produzierten Biomasse und zur Steuerung des Kultivierungsprozesses, wie z. B. Umwälzpumpen, Thermostatisierung, Durchflussmesser, Trübungsmesser.
In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Photobioreaktors sind die einzelnen Kompartimente 2 als Airlift-Reaktor ausgestaltet, bei dem durch Eintrag von Luft ein Flüssigkeitsumlauf innerhalb einer konstruktiv festgelegten Schlaufe erzeugt wird.
In dem Photobioreaktor 1 kann nicht nur eine einzige Sorte phototropher Organismen, sondern auch mehrere unterschiedliche Sorten dieser Organismen gleichzeitig in den jeweiligen Kompartimenten eingesetzt werden. Dabei ist es vorteilhaft, die phototrophen Organismen, die ein spezifisches Absorptionsspektrum besitzen, in dem Kompartiment anzuordnen, welches von Licht der Wellenlänge bestrahlt wird, was dem Absorptionsspektrum dieser Organismen entspricht. So kann beispielsweise eine Alge, welche ihr Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich von 600 bis 700 nm aufweist, wie z. B. Dunaliella, hinter einer Alge kultiviert werden, die ihr Absorptionsmaximum im Wellenlängenbereich von 400 bis 600 nm aufweist, wie z. B. Spirulina. In diesem Fall würde keine Vermischung der Algen aus den Kompartimenten durchgeführt werden. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor 1 eignet sich beispielsweise auch zur gezielten Produktion von Carotinoiden. Dazu werden die Organismen zunächst in einem Kompartiment kultiviert, in dem sie sich an den LL-Zustand adaptieren (z. B. Kompartiment B). Dann werden sie in das Front-Kompartiment A überführt, wodurch sie auf Grund der starken Lichtintensität zur verstärkten Carotinoidbildung angeregt werden. So kann z. B. Dunaliella zunächst in einem Kompartiment kultiviert werden, in dem mittlere bis geringe Lichtintensitäten vorherrschen und sich die Zellen an den LL-Zustand adaptieren können. Das für diese Anzucht der Biomasse benötigte Kulturmedium enthält Stickstoff, um eine hohe Biomassekonzentration zu erreichen. Unter diesen Kultivierungsbedingungen nimmt Dunaliella die "Grünform" an, d. h. sie weist einen deutlichen, sichtbaren Chloroplasten auf, der die Zellen grün färbt. Die Zellen werden geerntet und in ein stickstofffreies Medium überführt. Anschließend werden sie in das Front- Kompartiment A überführt, in dem sie hohen Lichtintensitäten ausgesetzt werden. Als Reaktion auf die hohe Lichtintensität bilden die Zellen in erhöhtem Maße Carotinoide aus, so dass die "Rotform" gebildet wird. Bevorzugt werden die Zellen dem Front-Kompartiment A nur in der Zellkonzentration zugeführt, in der es zu keiner Selbstabschattung der Zellen untereinander kommt und dadurch alle Zellen sich im HL-Zustand befinden, um möglichst viel Carotinoide zu produzieren. Durch die Verwendung eine stickstofffreien Mediums kann es innerhalb des Front-Kompartiments nicht zum Wachstum und damit zur Zunahme der Biomasse kommen. Es wird bevorzugt die Biomasse genutzt, die in den hinteren Kompartimenten erzeugt wurde.

Ausführungsbeispiel

Biomasse-Produktion von Synechocystis im erfindungsgemäßen Photobioreaktor im Vergleich zur Produktion in einem Reaktor ohne Kompartimente

Zur Produktion von Biomasse wurde ein thermophiler Stamm von Synecocystis eingesetzt. Als Nährmedium wurde das SWOT-Medium eingesetzt (Zhang, K. N. Kurano, Miyachi, S. (1999): "Outdoor culture of a cyanobacterium with a vertical flat late photobioreactor: effects on productivity of the reactor orientation, distance settings beween the plates and culture temperature". "Appl. Microbiol. Biotechnol.", 52: 781-786). Das Nährmedium wurde mit CO₂ (0,43 V/V) angereichert und auf 40°C im Wasserbad temperiert. Als Lichtquelle wurde eine Fluoreszenzlampe mit einer hohen Lichtintensität, die Pflanzenlicht emittiert und üblicherweise in Gewächshäusern eingesetzt wird, verwendet, so daß auf der Frontseite der Photobioreaktoren eine Lichtintensität von 280 µmol- Quanten m^-2s^-1 eingestellt wurde. Die Photobioreaktoren wurde aus 5 mm dicken Kunstglasplatten konstruiert. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor I wies folgende Maße auf:
Kompartiment A: 500 (H) × 150 (B) × 10 (T) mm mit H = Höhe; B = Breite und T = Tiefe des Reaktors.
Kompartiment B: 500 (H) × 150 (B) × 20 (T) mm.
Der Vergleichsreaktor II bestand nur aus einem Kompartiment und wies folgende Maße auf: 500 (H) × 150 (B) × 30 (T) mm. Eine Seite des Reaktors II wies eine doppelte Schicht des Kunstglases auf, so daß die Lichtbedingungen innerhalb der beiden Reaktoren gleich war. Beide Reaktoren wurden bis zu einer Höhe von 450 mm mit Nährlösung gefüllt, so dass sich ein Kulturvolumen von 2,25 L ergab. In Reaktor I enthielt das Kompartiment A 0,75 L und das Kompartiment B 1,5 L. Die Kultivierung erfolgte in beiden Reaktoren kontinuierlich. Es wurde eine Flussrate von 78 ml h^-1 bzw. 1872 ml d^-1 eingestellt. In Kompartiment A des Reaktors I entsprach dies einer Retentionszeitvon 0,401 d^-1 und in Kompartiment B einer Retentionszeit von 0,801 d^-1. Reaktor II wies eine Retentionszeit von 1,202 d^-1 auf. Die Suspension der Organismen aus Kompartiment A wurde mittels einer Peristaltikpumpe in Kompartiment B überführt. Durch einen Überlauf wurde das Volumen in den Reaktoren konstant gehalten. Die optische Dichte wurde photometrisch bei einer Wellenlänge von 720 nm bestimmt, wobei eine optische Dichte von 1 einer Biotrockenmasse von 0,279 g L^-1 entsprach. Der Gehalt an Chlorophyll a wurde durch Absorptionsmessungen einer in Aceton extrahierten Suspension der Organismen bei 664 und 647 nm bestimmt.
Zur Bestimmung der Photosyntheserate wurde die Sauerstoffproduktionsrate in einer "Rank Brothers"-Sauerstoffkammer bei verschiedenen Lichtintensitäten untersucht. Die unterschiedlichen Lichtintensitäten (µmol- Quanten m^-2s^-1) wurden mittels eines Diaprojektors und unterschiedlicher Filter eingestellt. Die Photosyntheserate (µmol O₂ mg Chl a^-1h^-1), bestimmt durch die gebildete Menge an Sauerstoff pro Chl a und Zeit, wurde gegen die Lichtintensität aufgetragen.
Die flächenspezifische Produktivität der Reaktoren errechnete sich aus der gebildeten Biomasse und der Durchflussrate des Reaktors, bezogen auf die belichtete Fläche des Photobioreaktors.
Zwei Stunden nach Inkubation weisen die Algen in den Kompartimenten A und B des Reaktors 1 und im Reaktor 2 noch eine ähnliche Photosyntheserate in Abhängigkeit der Lichtintensität auf (Fig. 3). 48 Stunden nach Inkubation zeigte sich ein unterschiedliches, photosynthetisches Verhalten. Die Zellen aus Kompartiment A weisen Charakteristika von HL-angepassten Zellen auf. Die Zellen in Kompartiment B und im Reaktor II weisen Charakteristika von Zellen des LL-Zustands auf. Die Zellen in Kompartiment B sind dabei noch stärker an den LL-Zustand angepasst als die Zellen im Reaktor II, da die Zellen in Reaktor II mit dem gesamten Wellenlängenspektrum der Lichtquelle bestrahlt werden, während in Kompartiment B die Zellen nur noch mit dem Restlicht, welches das Kompartiment A durchtritt, bestrahlt werden.
Der Tabelle 1 sind die unterschiedlichen, volumetrischen Produktivitäten der beiden Reaktortypen zu entnehmen. Tabelle 1 Biotrockenmasse in den Kompartimenten A und B des Reaktors I und im Reaktor II; a und b geben Versuchsreihen bei gleichen Bedingungen wieder
Die flächenspezifische Produktivität des Reaktors I betrug 47,98 g m^-2d^-1, während sie beim Reaktor II nur 36,66 g m^-2d^-1 betrug. Gegenüber dem Reaktortyp mit nur einem Kompartiment konnte daher eine signifikante Steigerung der Produktivität von mehr als 30% erreicht werden.
Für eine großtechnische Anwendung ist es notwendig, ein Scale-up des Photobioreaktors durchzuführen. Hier ist es denkbar, Photobioreaktoren mit Kompartimenten in einem Größenbereich von 2 m Höhe, 5 m Länge und einer Gesamttiefe von ca. 10 cm zu konstruieren. Der Photobioreaktor sollte immer in optimaler Weise zum Licht ausgerichtet sein, so dass z. B. im Freiland der Photobioreaktor dem Sonnenstand nachgeführt werden kann. Der erfindungsgemäße Photobioreaktor und das Verfahren sind besonders für die Produktion hoher Biomassekonzentrationen mit maximaler Ausbeute geeignet. Dies ist beispielsweise bei der Produktion von Biomasse zur Bereitstellung von Bioenergie, der Extraktion von Feinchemikalien aus der Biomasse, Prozessen der CO₂ -Absorption und der Abwasserbehandlung von Bedeutung.

Claims

1. Photobioreaktor (1), dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Kompartimente (2) umfasst, in denen sich die, den jeweils vorherrschenden Lichtbedingungen angepassten, phototrophen Organismen befinden.

2. Photobioreaktor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ≥ 2 Kompartimente (2) umfasst.

3. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) jeweils eine Tiefe von 5 bis 30 mm aufweisen.

4. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er aus lichtdurchlässigem Material besteht.

5. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er aus Kunstglas, Glas oder Folien besteht.

6. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Einrichtungen zum Einleiten von Gas sowie Einrichtungen zum Zuführen eines Mediums sowie Einrichtungen zur Entnahme der in dem Reaktor produzierten Biomasse aufweist.

7. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückwand (2a) des hintersten Kompartiments (2) aus einem stabilisierenden Material gefertigt ist.

8. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) eine plattenförmige Geometrie aufweisen.

9. Photobioreaktor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompartimente (2) eine röhrenförmige Geometrie aufweisen.

10. Verfahren zur Produktion von Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass ein Photobioreaktor (1) gemäß Anspruch 1 bis 9 eingesetzt wird.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kultivierung durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontinuierliche Kultivierung durchgeführt wird, bei der die Biomassekonzentration über die Verdünnungsrate gesteuert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen aus dem Kompartiment (2) mit der höheren, eingestrahlten Lichtintensität in das Kompartiment (2) mit der geringeren Lichtintensität geleitet werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche, phototrophe Organismen in den Kompartimenten (2) kultiviert werden, die ein dem jeweils in das Kompartiment eingestrahlten Wellenlängenspektrum angepasstes Absorptionsspektrum aufweisen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Zellen aus einem Kompartiment (2) mit einer geringen in ein Kompartiment (2) mit einer höheren Lichtintensität geleitet werden.